1 西安工业大学电子信息工程学院, 陕西 西安 710021
2 西南交通大学高温高压物理研究所, 四川 成都 610031
3 西北机电工程研究所, 陕西 咸阳 712099
冲击物理温度是**弹药性能测试、 极端环境材料状态的重要参量, 温度的精准获取在**建设和工业制造领域有重要意义。 冲击过程由于持续时间短、 较难接触式测量以及温度范围广等特性, 常规测温方法较难满足要求。 利用多光谱辐射测温法, 获取材料辐射强度值, 以普朗克辐射定律为基础建立温度反演模型, 从而获取目标的冲击物理温度值。 实际中, 由于不同目标发射率存在一定随机性, 在模型反演温度时误差较大。 冲击压缩下材料的结构可能发生相变, 发射率随之变化, 因此直接将发射率模型假定用于冲击物理温度求解, 很难准确的获取温度值。 基于约束优化理论, 将多光谱测温实验中温度求解问题转为约束优化问题。 针对每个通道获取到的温度值应该相同, 将物体发射率限制在特定范围, 利用约束优化算法计算获取目标温度和发射率, 克服了未知发射率对于冲击物理温度求解的障碍。 同时, 将平衡优化器算法(EO)与序列二次规划法(SQP)相结合应用于温度模型的求解中, 避免了单一算法求解稳定性差和速度慢的缺点, 提高了温度反演的效率和准确性。 对四种常见的发射率模型在3 000 K时的发射率数据进行了仿真验证, 结果表明温度反演误差均小于1%, 反演时间小于3 s。 最后利用本算法对冲击压缩下金属铜的温度进行了反演, 并与最小二乘法和内点罚函数法进行了对比, 结果表明所提出的方法得到金属铜的冲击物理温度值更接近理论计算结果。 因此, 该方法为其他未知发射率模型目标的冲击物理温度值获取, 提供了一种有效的反演方法。
多光谱测量 冲击物理温度 发射率 反演算法 Multi-spectral measurement Shock temperature Emissivity Inverse algorithm 光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3666
1 中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西 西安 710119
2 中国科学院大学,北京 100049
拉曼光谱是一种新型且强大的月球与深空探测工具。介绍了深空拉曼光谱技术的原理及技术特点,梳理了国际上深空拉曼光谱技术的发展现状,介绍了目前国际上在研/在轨的5台拉曼光谱载荷的设计情况。在此基础上,对深空探测拉曼光谱技术的关键问题进行了分析总结,对该技术的下一步发展进行了展望。
光学设计 光谱测量 拉曼光谱 月球与深空探测 激光光谱 光栅光谱仪
红外与激光工程
2022, 51(11): 20220093
1 西安工业大学电子信息工程学院, 陕西 西安 710021
2 西安工业大学理学院, 陕西 西安 710021
3 西南交通大学先进材料教育部重点实验室, 四川 成都 610031
材料的冲击辐射温度是高温-高压作用下状态方程研究的重要物理参量,对**研制、科学研究和工业制造意义重大。针对冲击辐射温度具有瞬时非接触、测量环境噪声复杂、温度反演发射率不可测等特点,设计了一种新的温度反演方法,以提高温度获取精度。根据约束优化理论,将乘子罚函数法与粒子群算法相结合,实现两种模型的串联,并改进粒子群-乘子罚函数算法。结果表明该混合模型求解方法充分结合了两种单一算法的优势,提高了冲击辐射测试数据的温度反演精度与运算效率,为研究材料冲击辐射的真实温度提供了保障。
测量 多光谱测量 辐射特性 温度 反演算法
1 山东大学空间科学研究院山东大学前沿交叉科学研究院, 山东 青岛 266273
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
基于压缩感知及深度学习理论的光谱观测编码方案存在滤光器件设计与光谱重建过程复杂、设计光谱透过率难以硬件实现等问题,因此从简化光谱观测系统的思路出发,考虑常见干涉滤光器件的制造难度,提出基于对称三对角Toeplitz矩阵的光谱透过率观测编码方案;采用矩阵理论讨论光谱观测矩阵的适定性,并采用数值仿真方法研究其容差能力。理论分析结果表明,随着光谱观测矩阵规模的增大,对称三对角矩阵的条件数增长较慢,上限可控。数值仿真结果表明,采用非负最小二乘算法进行光谱重建,并在保证特定约束的情况下,增加观测矩阵的规模对对称三对角矩阵光谱观测编码方案适定性的影响较小,仍然可以保证很高的光谱测量重建准确度。
成像系统 宽带滤波 计算光谱测量 光谱编码 观测矩阵 光谱重建
1 河海大学自然资源部海洋灾害预报技术重点实验室, 江苏 南京 210098
2 河海大学海洋学院, 江苏 南京 210098
3 江苏科技大学船舶与海洋工程学院, 江苏 镇江 212100
基于2018年5月27日—31日长江口邻近海域的海洋科学综合调查,利用船载走航式表观光谱观测系统进行了定点及连续光谱测量,结合快速多参数水质仪和声学多普勒流速剖面仪同步观测结果,研究了悬浮颗粒物(SPM)的高频变化特征及其影响因素。研究结果表明,长江口邻近海域SPM浓度存在高频变化特征,且受潮汐作用影响显著。在退潮周期内,其浓度在定点站位内有明显的先上升后下降过程,且浓度高值与高流速相对应。断面走航观测显示,SPM在短时间内变化特征存在明显的空间差异。在水深较浅的区域中局地再悬浮过程的作用明显,且SPM浓度与流速之间有着良好的对应关系,而在水深较深、离岸较远的区域中SPM浓度的变化则可能与长江冲淡水过程相关。
海洋光学 悬浮颗粒物 走航光谱测量 高频变化
1 北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100191
2 北京航空航天大学合肥创新研究院,安徽 合肥 230012
3 大型金属构件增材制造国家工程实验室,北京 100191
随着现代工业的发展, 复杂加工环境和对象、 大动态范围、 高效率和高精度激光加工需求愈加迫切, 在线监测并实时优化激光加工参数是一条重要的解决途径。 与此同时, 激光与物质相互作用时可产生与加工参数、 加工过程和目标特性密切相关的光信号和表面光学特性变化, 在线测量光信号光谱可分析加工过程和状态, 故光谱测量有望成为一种重要的激光加工在线监测手段。 实际上, 光谱测量已应用于激光焊接、 激光切割和钻孔、 激光清洗打磨、 微纳结构制备和增材制造等几乎所有激光加工工艺, 具有分辨率高和光谱信息丰富等特点。 分析和总结了用于激光加工在线监测的光谱测量技术, 包括等离子体光谱、 反射光光谱和非线性光信号光谱等。 基于单脉冲和多脉冲激光加工激发等离子体信号的光谱测量, 除实现化学成分定性和定量监测外, 还可以根据特征谱线相对强度变化实时调焦, 根据等离子体温度监测和调控激光加工过程中与热效应相关的物理过程; 作为一种无损伤且工作距离较远的监测方法, 反射光光谱监测可通过测量特定波段反射光信号光谱积分功率、 特征谱线和波段位置和强度来有效监测材料表面清洁度、 损伤、 色度和成分变化等; 而在特定条件下产生的谐波信号、 荧光信号和拉曼信号等非线性光信号, 尽管应用场景有限, 但提供了一种实现成分、 焦距和材料损伤等监测的新方法。 进而, 展望了光谱测量在激光加工在线监测上应用的未来发展趋势, 包括多种光信号的光谱协同监测与光、 声、 温度及图像等多种信号测量的复合监测。 同时, 人工智能技术与在线监测和激光加工的深入结合将进一步推动激光加工技术的智能化发展。
光谱测量 激光加工 在线监测 研究进展 Spectral measurement Laser processing On-line monitoring Research process 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2343
1 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室, 湖北 武汉 430079
2 自然资源部国家卫星海洋应用中心, 北京 100081
3 Easy Ocean Technology Ltd., Halifax, B3H 1N4, Canada
精确的现场水体光谱特性测量与分析是水色遥感领域亟待解决的重要基础问题。 传统的剖面法、 水面之上法等水体光谱现场测量方法无法直接测得离水辐亮度(Lw), 后处理过程比较复杂, 不确定性较大。 天空光遮挡法(SBA)实现了对水体离水辐亮度的直接测量后处理流程相对简单, 能较好地避免传统现场光谱测量方法的许多不确定因素。 但目前为止, 国际上还没有成熟的基于SBA方法的水体光谱测量系统, 因此基于SBA方法开展新型水体光谱测量系统研制与测试具有重要的理论与现实意义。 作者在系统分析SBA水体光谱现场获取原理的基础上, 介绍了首套基于SBA方法的漂浮式水体光谱测量系统的研发情况, 详细阐述了其硬件结构设计及系统单元设置情况。 通过2017年9月20日珠江口(113°32′38″E, 22°25′43″N)的系统现场测试分析验证了该系统分钟级高频次连续水体光谱采集能力。 该系统实现了连续直接观测得到离水辐亮度和入射辐照度进而计算得到遥感反射率(Rrs)的功能, 其变异系数均小于5%, 将系统观测结果与Maya2000 Pro同步观测获得的遥感反射率对比, 表现出良好的一致性, 证明了该系统采用SBA方法进行水体遥感反射率测量的有效性。 连续观测实验证明了该系统水体遥感反射率测量的稳定性以及快速跟踪水体光学特征变化的能力。 论文指出了基于SBA漂浮式水体光谱测量系统发展起来的漂浮式光学浮标(FOBY)在自阴影评估与校正、 数据质量控制、 数据高频获取、 浮标姿态记录、 多要素联合观测、 长时序大范围组网等方面存在的问题及未来发展前景。 综上所述, 基于SBA方法研发的漂浮式水体光谱测量系统能实现水体光谱的高频观测, 以及水体光学特性的快速变化动态跟踪, 有助于提高现场测量与卫星遥感数据的匹配效率; 基于该系统, 在建立传感器观测网的基础上可以获取水体光谱大数据集, 有利于大幅提高各种卫星数据水色遥感应用潜力。
天空光遮挡法 离水辐亮度 漂浮式水体光谱测量系统 漂浮式光学浮标 水色遥感 Skylight-blocked approach Water-leaving radiance Water spectral measurement system The floating optical buoy(FOBY) Water color remote sensing 光谱学与光谱分析
2020, 40(9): 2756